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粉煤质量流量计的选型及应用 |
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摘 要： 对比美国热电流量计和德国SWR流量计在粉煤加压气化装置中的应用。
关键字： 煤制合成气 煤粉质量 德国SWR流量计 美国热电流量计 应用
0 引言
对于采用高浓相输送技术的煤粉输送，煤粉流量的精确计量对气量的消耗、系统的顺畅运行及设备、管道等的维护以及验证整个系统的浓相输送等相关指标、调控输送量等工艺参数具有重要的作用和意义。在粉煤加压气化装置的流程控制中，煤粉密度、流速的测量是整个输煤系统的重中之重。我国近年来引进的荷兰壳牌公司的Shell粉煤加压气化技术中，粉煤质量流量计一直采用美国热电提供的核密度计与速度计。考察国内同类设备的使用情况，其测量的准确性需要靠经验数据来调整，采集经验数据最少需要2~3个月时间，煤粉标定时间周期较长，而且其速度计响应时间较慢，在濮阳航天炉的生产过程中，这种现象已得到验证。而采用德国斯威尔的微波技术的流量计调校比较简单，调试时间大约一周，测量能满足工艺要求。在航天炉项目的建设中，濮阳龙宇化工有限责任公司气化装置的每根煤粉管线上采用了2套美国热电流量计和1套SWR流量计同时测量，在满足工艺要求的同时，也验证了在同样工况下，两个厂家的流量计在煤粉流量计量上的准确度和可靠性。安徽临泉在航天炉装置的每条煤粉管线上采用了2套SWR流量计，在煤粉的计量和控制中得到了很好的应用。
1 SWR（斯威尔）流量计
1.1 测量原理
SWR生产的DensFlow流量计是专门针对气固两相流而开发的测量仪器，适用于浓相或超浓相输送工艺，通过在测量管中产生一个高频、交流、均匀的电磁场来测量固体物料通过管道截面的平均流速和浓度，从而计算出固体物料在管道中的流速（m/s）、浓度（kg/m3）、质量流量（kg/h或t/h），并且输出对应上述测量值的3路独立的4~20mA电流信号。
流量、密度、流速的测量一体化，大大提高了测量的精度。
DensFlow固体物料密度值的测量是需要校准和标定的，因为该仪器可以测量浓相、超浓相输送的所有固体颗粒或粉状物料，而不同物料的堆积密度是不同的，所以必须实际标定输送物料的浓度值。正常的准确度为±1%～±3%，系统均匀稳定的喷吹状态下可以达到小于±1％的测量及控制准确度。
在现有浓相、超浓相输送技术条件下，有以下几种标定方法可以使用：
（1）使用SWR的专用测试棒标定；也可订购SWR流量在线标定系统来进行标定。
（2）用户在安装仪器前，在车间将固体流量计垂直放置在敞开容器后通电预热，15min后将被测固体物料放入测量管内进行标定。
（3）用户在安装仪器后，通电预热15min，并将流量计内置累积器清零后开始正常的物料输送，通过仪器累计的物料质量流量值与现有仪器的显示值比较，然后将修正系数输入仪器。
（4）用户在安装仪器后，通电预热15min，并将流量计内置累积器清零后开始正常输送物料，通过仪器累计的物料质量流量值与每天/每周/每月的物料消耗量比较，然后将修正系数输入仪器。
1.2 标定过程的修正方案
影响流量计测量结果的因素为压力、悬浮密度、温度，其中压力的影响因素很稳定，经过现场的观察和计算，压力的影响为0~5MPa，影响零点漂移为0.4%~0.5%；浓度的影响只与传感器特性有关；温度的影响，安徽临泉和濮阳由于安装位置的不同，产生的影响大小有所不同，但是观察在温度变化不大的环境下，对流量计检测的影响很小。针对这3个影响因素的修正方案如下：
（1）浓度修正方案。DCS计算方程如下：
密度的修正曲线如图1所示，横坐标代表密度（kg/m3），纵坐标代表修正系数。
图1 密度修正曲线
（2）压力修正。压力影响实际显示浓度值，随着压力的增加影响值逐渐减少。对应着0~5MPa的压力变化，零点漂移为0.4%~0.5%。
压力修正公式为：
f（p）=1.7P
式中，f（p）为经过修正后的管道压力；p为流量计附近压力取样点压力；P为实测的管道压力。
（3）温度修正。温度对于传感器的影响直接反映到传感器的轴向应力上。对于临泉和濮阳现场出现的温度影响不一致的原因，经分析和现场的安装位置有关。当温度变化不是很大的情况下，基本可以忽略此参数的影响。
（4）总修正方案。
DCS最后修正方程为：
A=（原始密度-f2（P）+f3（T））
DCS显示密度=f1（A）·A·K2·K3
式中，K2为管道系数；K3为煤种系数，针对每根管道单独进行标定；f1（A）为传感器的特征方程。
经过标定，SWR流量计在实际工况中的历史曲线如图2所示。
图2 SWR流量计在实际工况中的历史曲线
1.3 存在的问题及改进
（1）现场传感器的线路板安装采用接插件的方式，配线硬度较大，仪表在工作过程中煤粉管线的震动易使线路板接插件松动，造成接触不良，导致煤粉流量无显示。此问题已提交SWR总部，线路板经过改进后有效地杜绝了此类故障的发生。
（2）SWR流量计抗干扰能力较弱，中央处理器面对磁场的干扰表现为速度的波动，进而影响流量计量。所以二次表中央处理单元的安装应远离磁场，避免干扰信号的发生。
2 美国热电流量计
2.1 测量原理
放射性同位素产生的γ射线具有穿透物质的能力，对于一束准直的γ射线，在穿过管径为d，密度为ρ的被测介质后，入射到γ探测器上的射线强度I与ρ=0时的射线强度Io之间成指数关系，通过测量射线强弱的变化，可知道介质密度的大小。将放射源和射线探测器（闪烁探测器或电离室探测器）分别安装在被测管两侧，用计算机处理放射线探测器的输出信号，就可显示出被测介质的密度或浓度。
如将管道流量信号送入变送器，经计算机处理后，可显示被测介质的质量流量和积算值。
2.2 仪表系统的组成
DensityPRO密度计包括2个主要部分：放射源及铅罐、一体化变送器/探测器。
密度计所用放射源一般情况下使用Cs137，特殊情况下使用Co60，无论是Cs137还是Co60放射源均为密封型的放射源，不会造成环境污染。
放射源固定在一个容器内，这个容器由铅层和钢外壳及源开关装置组成，源容器内有一个射线通道（准直孔）。当源开关装置处于关闭状态时，从准直孔出来的γ射线被屏蔽；而当源开关处于开时，射线通过准直孔穿过被测管道射到探测器上。源罐的铅层厚度保证了从源罐泄露出的射线剂量不超过安全防护标准。
2.3 标定
在标定周期，密度计对探测器信号进行平均处理。标定的缺省周期时间为17min。平均的探测器信号提供在标准配置下的一个重复性非常好的信号测量值。
一旦完成标准测量，就可以对类似介质沉积在管壁造成不断增加的衰减等任何变化重复进行补偿。然后，密度计就可以基于新的标定值调整校准值。由于校准值是按照相对于标定值的一个比例系数存储的，所以不需要进行重新校准。无论什么时候计算出新的标定值，就自动对校准值进行调整。
2.4 校准
除非在对于悬浮液类型介质“管道充满载体”（对于溶液类型介质“管道充满溶剂”、对于乳液类型介质“管道充满液体1”）状态下完成了标定，必须用“设置密度，…”菜单组下的“密度计校准”菜单完成校准。如果需要校准测量，显示器显示“Unitshasnotbeencali-brated（密度计没有校准）”消息。需要校准时，单点校准对于很多应用是合适的。校准测量应该在实际介质上完成，该介质的密度接近正常工作期间预计的正常介质密度。校准测量时必须对介质进行采样以确定介质密度。密度计能够使用源罐（几何条件因子）、管道尺寸和介质类型等信息，通过计算与探测器信号变化对应的密度变化，测量其它密度值。需要更精确测量值时，可以进行两点标定。第二个校准值应用“斜率”校正因子将探测器信号转换为介质密度。应用两点校准时，尽量在靠近工作介质密度范围的一个端点完成第一点校准，然后，在另一端点完成第二点校准。
3 对比
在同样工况下，对比美国热电和SWR流量计在粉煤加压气化装置中的应用，采用SWR公司的Dens-Flow具有以下优点：
（1）仪表没有任何放射性物质，现场技术人员不用担心遭受核辐射的伤害。
（2）仪表标定、校准简单，可操作性强，减少了仪表人员的维护周期。
（3）采用GFK（增强玻璃纤维）内衬，耐高压、耐磨、防腐，SWR承诺传感器寿命大于3年，并提供相对应的传感器3年质量保证。
（4）速度测量范围可选（0~10m/s或0~20m/s），在浓相和稀相状态下均可准确测量，并且没有静电原理流量计速度测量范围必须大于4m/s的限制。
（5）采用一台仪表就可以完成煤粉的流速、浓度在线测量。
（6）DensFlow的测量管没有任何节流部件，无压力损失，免维护。
（7）不存在射源衰减的问题，仪表使用后期不会影响测量的精度。(end)
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(9/29/2013) |
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